[发明专利]一种基于位置指纹的卫星集群分级定位方法

权利要求书

1.一种基于位置指纹的卫星集群分级定位方法，其特征在于：所述方法分为三个阶段：构建坐标系阶段、离线阶段和在线阶段；在构建坐标系阶段建立LVLH坐标系和基准星本体坐标系；在离线阶段，由地面计算出稀疏Radio Map，并储存在成员星中；在线阶段分为三个子阶段：成员星粗定位阶段、指纹库在线计算阶段和成员星精定位阶段；在成员星粗定位阶段，成员星根据当前时刻和稀疏Radio Map选取最近时刻的RSS矩阵，并结合实时获取到的RSS向量进行粗定位；在指纹库在线计算阶段，成员星根据粗定位结果计算稠密Radio Map；在成员星精定位阶段，成员星根据实时获取到的RSS向量和计算出的稠密Radio Map进行精定位，得到成员星的最终估计位置；

所述离线阶段具体步骤为：

步骤1、在LVLH坐标系下确定边长为l₀的粗定位区域，并将其均匀划分为n个边长为l₁的网格，将每个边长为l₁的网格的中心位置作为粗定位区域的参考点，得到参考点位置向量L：

其中，(x_j,y_j,z_j)，j＝1,2,3…n为粗定位区域中第j个参考点在LVLH坐标系下的坐标；

步骤2、将基准星的运动周期T以间隔ΔT划分为m个时间段，每个时间段的中心时刻为：

T₁,T₂,…,T_m      (2)

根据基准星运动方程获取T_i,i＝1,2,…m时刻4个基准星位置向量：

步骤3、通过预先设置的参数获取第k个基准星，k＝1,2,3,4，在T_i时刻的发射功率第k个基准星在LVLH坐标系下的坐标为(x_k(T_i),y_k(T_i),z_k(T_i))，第k个基准星本体坐标系相对于LVLH坐标系旋转角度为θ_k(T_i)，ψ_k(T_i)分别为三个坐标轴相应的旋转角度；

计算在T_i时刻粗定位区域内第j个参考点相对于第k个基准星的位置：

步骤4、计算在T_i时刻LVLH坐标系变换到第k个基准星本体坐标系的旋转矩阵：

其中，

步骤5、计算第j个参考点在T_i时刻第k个基准星本体坐标系下的直角坐标：

为了使用天线方向图计算传输损耗，需要将直角坐标变换为球坐标，从直角坐标到球坐标的变换公式为：

于是，第j个参考点在T_i时刻第k个基准星本体坐标系下的球坐标表示为：

其中，r_k(T_i)是第j个参考点在T_i时刻与第k个基准星之间的距离；θ_G,k(T_i)为第j个参考点在T_i时刻相对于第k个基准星的天顶角；为第j个参考点在T_i时刻相对于第k个基准星的方位角；

步骤6、根据球坐标计算在T_i时刻天线增益：

其中，G_max为发射天线最大增益，为天线方向性函数，f_max是天线方向性函数最大值；

计算基准星发射的信号到达成员星的传输损耗：

其中，f是天线发射频率，G_R是成员星接收天线增益；

于是，T_i时刻在第j个参考点处接收到第k个基准星的接收信号强度RSS为：

步骤7、重复步骤1至步骤6可得到T_i时刻在所有参考点处接收到4个基准星的RSS，构成如下T_i时刻RSS矩阵：

其中，为T_i时刻在第j个参考点处接收到4个基准星的RSS构成的向量；

步骤8、重复步骤1至步骤7可得到T₁,T₂,…,T_m时刻的RSS矩阵：

R₁,R₂,…,R_m(16)

于是得到稀疏RadioMap：

M＝[L R₁ R₂ … R_m] (17)

稀疏RadioMap由地面提前计算好并存储至每一个成员星中，成员星进行定位时调用；

所述成员星粗定位阶段具体为：

成员星获取当前时刻接收到的4个基准星的RSS：

根据卫星时钟获取当前时刻t，并在时刻T₁,T₂,…,T_m中选择与当前时刻t最接近的时刻T_*，根据式(17)得到T_*时刻的稀疏Radio Map：

将成员星在线获得的RSS与T_*时刻的稀疏Radio Map中的RSS进行匹配，根据kNN算法获得成员星的粗定位结果为:

所述指纹库在线计算阶段和成员星精定位阶段具体为：

根据成员星粗定位结果确定成员星精定位区域：以成员星粗定位结果为中心，确定边长为l₂的正方体区域作为成员星精定位区域；

将精定位区域按照均匀划分为w个边长为l₃的网格，将每个边长为l₃的网格的中心位置作为精定位区域的参考点；

得到精定位区域参考点位置向量：

根据基准星运行参数得到当前时刻4个基准星的发射功率、在LVLH坐标系下的坐标以及基准星本体坐标系相对于LVLH坐标系旋转角度，从而计算精定位区域在该当前时刻的RSS矩阵：

因此，稠密Radio Map表示为：

将成员星在线获得的RSS向量与当前时刻的稠密Radio Map中的每个参考点的RSS进行匹配，根据最近邻算法获得成员星的精定位结果为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述构建坐标系阶段具体为：

在卫星集群中基准星的数量为4，其余卫星为成员星，基准星成对进行绕飞，绕飞的中心称为“中心星”，中心星为一虚拟的点，实际上并不是卫星；成员星则在基准星附近进行伴飞；

LVLH坐标系原点O_L位于卫星集群中的“中心星”，坐标轴之间满足右手定则；O_LX_L轴方向为中心星运动的切线方向，O_LY_L轴由中心星指向地球质心，O_LZ_L轴垂直于X_LY_L平面；

基准星本体坐标系原点O_B位于基准星的质心，坐标轴方向与基准星姿态有关；O_BX_B轴为天线方向图0度方向，O_BY_B轴为天线方向图90度方向，O_BZ_B轴垂直于X_BY_B平面，O_BX_B轴和O_BY_B轴满足右手定则；并且需要对4个基准星都建立对应的基准星本体坐标系。